Was ist optische Kurzstreckenkommunikation?

Optische Kurzstreckenkommunikation kann eine kleine Überraschung sein. Das direkteste Anwendungsgebiet der optischen Kommunikation ist die optische Kommunikation mit ultrahoher Geschwindigkeit, ultrahoher Kapazität und ultralanger Distanz. Die optische Kommunikation wurde ursprünglich verwendet, um die Fernübertragung von Hochgeschwindigkeits-Telekommunikationsdiensten zu lösen, und wurde dann langsam in das Rechenzentrumsnetzwerk eingeführt, um clientseitige Hochgeschwindigkeitsschnittstellen bereitzustellen.

Die Evolution des Kurzen Bereich Optische Kommunikation

Schon heute zeichnet sich ab, dass die optische Kommunikation in die Kurzstreckenübertragung vordringt. Beispielsweise hat die Industrie kürzlich Co-Packaging-Optiktechnologie verwendet, um das Problem der optischen Verbindung innerhalb von Modulen und zwischen Chips zu lösen, und die Kapazität eines einzelnen Schaltchips wird bis zu 25.6 Tb/s betragen. Wie in Abbildung 1 dargestellt, sind typische Anwendungsszenarien der optischen Kommunikation bei unterschiedlichen Übertragungsdistanzen und der Durchdringung auf kürzere Distanzen aufgelistet.

Abbildung 1. Entwicklung optischer Kommunikationsanwendungen

Nicht umsonst verlagern sich immer mehr Anwendungen der optischen Kommunikation auf die Kurzstrecke. Cisco hat diesen Trend schon vor einigen Jahren vorhergesagt und er hat sich bestätigt. Der Netzwerkverkehr in Großstädten hat bereits 2017 Langstrecken-Backbone-Netzwerke übertroffen, und mit dem Aufkommen von Content Delivery Networks (CDN) und dem Wachstum von Cloud-bezogenen Diensten ist der netzwerkbezogene Datenverkehr von Rechenzentren jetzt mit Internet-IP-Verkehr vergleichbar.

Es wird erwartet, dass der Anteil des Datenverkehrs innerhalb von Rechenzentren bis zum nächsten Jahr 70 % übersteigen wird, während der Anteil des Ost-West-Verkehrs fast 85 % beträgt und damit den Nord-Süd-Verkehr weit übersteigt, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Cisco prognostiziert die Verteilung des Datenverkehrs im Rechenzentrum im Jahr 2021

Daher muss gesagt werden, dass das Netzwerk der Zukunft von Rechenzentren dominiert wird und die optische Übertragung mit kurzer Reichweite betont werden muss. Nicht nur das, sondern mit der Veränderung der Netzwerkarchitektur werden viele Inhalte näher an die Benutzer gebracht, um Dienste mit geringerer Latenz bereitzustellen. Je mehr Kurzstreckenanwendungen also vorhanden sind, desto stärker ist die Nachfrage nach Bandbreite.

Das aktuelle Langstrecken-Backbone wurde gerade auf 200G aufgerüstet, aber die Nachfrage in Kurzstrecken-Rechenzentren hat längst 400G erreicht, und einige werden sogar auf 800G-Schnittstellenraten aufgerüstet. In diesem Jahr hat die Ethernet Alliance die 800G-Ethernet-Spezifikation veröffentlicht. Offensichtlich sind Nahbereichsanwendungen, repräsentiert durch Rechenzentren, Supercomputing-Cluster und andere miteinander verbundene Netzwerke, zu einem neuen Wachstumspunkt für die optische Kommunikation außerhalb des Telekommunikationsmarktes geworden, und die Bedeutung liegt auf der Hand.

Definition von kurz Bereich Optische Kommunikation

Was ist optische Kurzstreckenkommunikation? Es gibt viele verschiedene Antworten.

IEEE definiert kurze Reichweite (SR) als etwa 100 m, und OIF definiert kurze Reichweite als 300 m. Aber die akademische Gemeinschaft hat die Reichweite der optischen Kurzstreckenkommunikation sogar auf etwa 100 km erweitert. Es scheint, dass es keine klare Zahl gibt, um klar zu definieren, was optische Kurzstreckenkommunikation ist, und es lohnt sich, in der nächsten Einführung die gesamte optische Kommunikation innerhalb des Intervalls von 100 m bis 100 km als optische Kurzstreckenkommunikation zu definieren. Das heißt, der rot eingekreiste Teil in Abbildung 1 ist natürlich als optische Nahbereichskommunikation geeigneter. Für die optische Kommunikation innerhalb von 100 m sollte dies als optische Kurzstreckenverbindung bezeichnet werden, was sich auf die systeminterne, Inter-Board- oder On-Board-Verbindung bezieht.

Abbildung 3. Weitere Aufschlüsselung von Szenarien und kurz Schlüsseltechnologien Bereich optische Kommunikation

Wie in Abbildung 3 gezeigt, ist die optische Nahbereichskommunikation weiter unterteilt und enthält Szenarien wie SR, DR, FR, LR, ER und ZR entsprechend der Übertragungsentfernung von nah nach fern.

Standards für optische Kurzstreckenkommunikation

Für diese unterschiedlichen Fernanwendungen hat die Industrie nun auch eingeführt 100G und 400G clientseitige optische Verbindungsstandards, wie in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1. 100G/400G-bezogene clientseitige Standards

Man kann sehen, dass:

Für 100 m ist es hauptsächlich Multimode-Übertragungstechnologie mit 850-nm-VCSEL-Lichtquellen-Array.

Für 500 m bis 2 km wird üblicherweise Single-Mode-Übertragungstechnologie verwendet, und die Lichtquelle ist vielfältiger, was 1310 nm DML, SiP oder sogar EML sein kann.

Für 10 km bis 40 km sind 1310/1550 nm EML oder sogar MZM erforderlich. 1310 hat den Vorteil einer geringen Dispersion, aber eines hohen Verlusts und keinen ausgereiften, kostengünstigen optischen O-Band-Verstärker bei dieser Entfernung. Der Vorteil der Verwendung von 1550 ist der geringe Verlust der Faser, es gibt einen ausgereiften optischen Verstärker, aber der Einfluss auf die Dispersion ist größer.

Neben der Rechenzentrumskommunikation gibt es eine weitere wichtige Klasse von Anwendungen für die optische 10-km-Kommunikation, nämlich die 5G-Fronthaul-Konstruktion, die in vollem Gange ist. Tabelle 2 fasst die typischen technischen Lösungen und entsprechenden Standards in China zusammen.

5G-Fronthaul verwendet hauptsächlich O-Band-Wellenlängenmultiplexing, wobei DML-Direktmodulation verwendet wird, um ein 25-Gb/s-NRZ-Signal zu erzeugen, und PIN-Erkennung am Empfangsende. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, die Kosten zu senken und die Dispersionskosten langer Wellenlängen zu kontrollieren. Es wird erwartet, dass die DWDM-basierte Technologie in der 5G-Vorwärtsübertragung schwierig zu skalieren ist, obwohl es ein größeres Erweiterungspotenzial und ein größeres Leistungsbudget gibt, aber die einstellbaren EML + TEC-Kosten sind deutlich höher als bei anderen Programmen.

Tabelle 2. Technischer Vergleich typischer 5G-Fronthaul-Lösungen

Natürlich gibt es für die optische 20-km-Kommunikation auch wichtige Anwendungen in der Telekommunikationsbranche, allgemein bekannt als optische Zugangsnetze, auch bekannt als passive optische Netze (PON). Dieser Bereich ist eine vollständig international standardisierte Technologie, und derzeit hat PON APON, BPON, G/EPON, 10G EPON, XGSPON usw. durchlaufen. Die höchste im Handel erhältliche Rate ist symmetrisch 10 Gb/s. Aber die Standardisierung stand im Vordergrund, einschließlich 40GTWDM-PON, auch NGPON2 genannt, das vor einigen Jahren fertiggestellt wurde. Das 25 identifizierte 2018G-EPON und sogar das Single-Wave-50G-PON, das derzeit sowohl von ITU-T als auch von IEEE diskutiert wird. Das Kernproblem in diesem Bereich ist das Problem der Kosten und des Leistungsbudgets, das auf den Mangel an kostengünstigen Hochgeschwindigkeits- und hochempfindlichen Modulationsempfangslösungen hinausläuft. Darüber hinaus hat OIF für 80-km-ZR-Anwendungen bereits ein 400ZR-Implementierungsprotokoll mit 60-GBaud-16QAM-Modulation und 100G- oder 75-GHz-Kanalabstand veröffentlicht, während IEEE auch einen 100GE/400GBASE-ZR-Standard in IEEE P802.3 ct/cw diskutiert, was erwartet wird maximal kompatibel mit OIF 400ZR sein. Offensichtlich für 100G sowie 400GZR 80 km Ebene der optischen Übertragungsindustrie stimmten im Allgemeinen darin überein, dass die kohärente Erkennungstechnologie 100G / 400G eingeführt werden muss.

Modulations- und Multiplexing-Technologien für optische Nahbereichskommunikation

In Bezug auf aktuelle Industriestandards und Marktlösungen gibt es derzeit nur zwei Modulationsformate, die von der Industrie im Nahbereich weit verbreitet sind. Einer ist 25 Gb/s NRZ, der hauptsächlich in 4x25G 100G-Schnittstellen verwendet wird; Die andere ist die PAM4-Modulation mit 50 Gb/s und 100 Gb/s Single-Wave-Raten, die verwendet werden kann, um 8x50G- oder 4x100G-400G-Schnittstellen sowie kundenseitige 1x100G-Single-Wave-100G-Schnittstellen zu realisieren. Für die Zukunft 800G-Verbindungen mit kurzer Reichweite, kann es 8x100G-PAM4- und möglicherweise sogar 4x200G-PAM4-Lösungen geben.

Für eine kohärente optische Nahbereichsübertragung definiert keines der derzeit standardisierten Schemata Techniken, die der probabilistischen Formungs-PCS und der superstarken Vorwärtsfehlerkorrekturcodierung wie LDPC ähnlich sind. Unter den kohärenten Systemen, die bereits Standards haben, wie MSA, OIF, ITU-T, OpenROADM, IEEE, haben CableLabs nur (D)QPSK, 8QAM, 16QAM definiert, die relativ einfache Modulationsformate sind. Was die FEC betrifft, so definiert die früheste 100G-MSA die Stufen-HD-FEC mit 6.7 % Overhead und NCG = 9.8 dB, später die in OIF 400 ZR definierte C-FEC mit 14.8 % Overhead und NCG = 10.8 dB für 16QAM und die O- FEC definiert in OpenROADM mit 15.1 % Overhead. Nach drei Decodierungs-Iterationen kann der NCG von 16QAM 11.6 dB erreichen.

In Bezug auf Multiplexverfahren werden in den aktuellen standardisierten optischen 100G/400G-Kurzstreckenverbindungen häufig zwei Arten von Multiplexing verwendet. Einer davon ist Space Division Multiplexing, mehrere Singlemode/Multimode-Faser-MPO-Anschlüsse, um eine Mehrkanalbindung zu erreichen. Die zweite ist das Wellenlängenmultiplexing, bei dem mehrere Wellenlängen in derselben Singlemode- oder Multimode-Faser übertragen werden.

Tabelle 3 fasst die Klassifizierung von Multiplexing-Technologien zusammen, die für 100G-Schnittstellenraten verwendet werden. Es ist erwähnenswert, dass die in Luftmultiplexsystemen verwendete siliziumoptische Technologie bessere Kostenvorteile haben kann, da nur eine Wellenlängenleistung benötigt wird, um sie in mehrere Pfade und dann in das siliziumoptische Modulatorarray aufzuteilen. Sie können nicht nur die Größe kontrollieren, sondern auch die Kosten des Lasers senken. Es wird jedoch erwartet, dass das Leistungsbudget das Haupthindernis für die optische Siliziumtechnologie bei optischen Kurzstrecken-Verbindungsanwendungen ist.

Tabelle 3. Vergleich von Multiplexing-Technologien, die in 100G-Schnittstellen verwendet werden

Der obige Inhalt ist die wichtigste Einführung von Fiber Mall in die Entwicklung von optischen Kurzstreckenkommunikationstrends, Entfernungsgrenzen, Standardfortschritten, Modulations- und Multiplexing-Technologien, die üblicherweise in der Industrie verwendet werden, mit einem Schwerpunkt auf der Einführung von Technologien, die in ausgereiften Anwendungen in der Industrie verwendet werden.

Fiber Mall wird auch die fortschrittliche Modulationstechnologie, neue Erkennungstechnologie, DSP-Algorithmus, Vergleich der 800G/1.6T-Technologieentwicklung usw. aus akademischer Sicht diskutieren.